Transcript TBM teknologi for løsmasser

TBM teknologi for løsmasser
NBG TBM seminar Mosjøen 10.-11.september
Pål Drevland Jakobsen
2015-03-12
Introduksjon
Innhold
● Introduksjon
– Historisk utvikling og milepæler
– Tunneltyper og størrelser
– TBM-er for løsmasser
● Anleggsteknikk
– Byggetid
– Forundersøkelser og oppfølging under driving
– Grunnforhold
– Slitasje
● Kostnader
● Bruk av TBM i løsmasser i Norge…?
● Oppsummeringer
2015-03-12
Introduksjon
Historisk utvikling av mekanisert tunneldrift i
løsmasser
● Teknologiutvikling startet på 1800 tallet
– Brunels tunnel skjold (1825)
– Maus i fra Belgia
– Beaumont / English maskiner (1875)
– Stuffstabilisering med trykkluft i fra tidlig 1900 tall i
Berlin og Hamburg
• Graving med hånd i fra trykksatt kammer/stuff.
2015-03-12
Introduksjon
«Moderne løsmasse TBM-er»
● Slurry shield TBM-er utviklet parallelt i Japan, Tyskland og
Stor-Britannia på 60-tallet
● Earth pressure balance shield (EPB) TBM utviklet i fra tidlig
70 tall
● Rørtrykkingsmaskiner (pipe-jacking) med slurry utviklet av
Herrenknecht på 70 tallet
2015-03-12
Introduksjon
TBM-er for løsmasser
● PRINSIPP: Vann- og jordtrykk må
stabiliseres for å unngå:
– Kollaps av stuff
– Vannproblematikk i tunnel
– Setninger
– «Fastkjøring av TBM» og «clogging»
● Tunnelen må sikres med lining
(som regel betongelementer, av og til stål
eller keramikk)
● Prinsippet er enkelt, men
– Tidevannsproblematikk endrer
vanntrykket kontinuerlig
– Varierende overdekning endrer jordtrykk
2015-03-12
Introduksjon
TBM-er for løsmasser
● Variabler
– Overdekning
– Tunneldiameter
– Densitet på masse
– Grunnvannstand
– Toleranser/sikkerhets
-konstant
– Metode for
stuffstabilisering
● Ansvar
– Byggherre?
– Entreprenør?
– Konsulent?
2015-03-12
(Figur i fra www.facesupport.org)
Introduksjon
Slurry shield/Mixshield/Benton®Air TBM-er
2
1) Roterende kutterhode med verktøy
2) Kutterkammer (trykksatt med bentonitt og evt. luft)
2015-03-12
Introduksjon
Earth Pressure Balance (EPB) Shield TBM
1) Roterende kutterhode med kutterverktøy
2) Jekker som skyver TBM i fra betongelement
3) Skrue (screw conveyor) som reduserer trykk i utdrevet
masse til atmosfærisk trykk
4) 4 transportband/tog transport av masse.
2015-03-12
Introduksjon
Grunnforhold og (overordnet) valg av TBM
2015-03-12
Introduksjon
Tunneltyper og størrelser
Kabler
Gassrør
Vann
Avløp
Metro
Veg
Jernbane
Diameter fra
0,2 – 17,5 m.
2015-03-12
Anleggsteknikk
Byggetid
● TBM leveranse ca 1 år på diametere over 6-7 m
● TBM leveranse små tverrsnitt er kortere
– Entreprenører eier ofte små maskiner, og mye «ledig
kapasitet» i eks. Tyskland
● «Netto inndrift» avhenger mer på slurry eller EPB skrue
kapasitet. «Borsynkindeks» benyttes ikke.
● «Netto indrift» er ca 5 – 15 mm/rev 15 – 150 mm/min.
● Byggetid er avhengig av boretid (utnyttelsesgrad)
2015-03-12
Anleggsteknikk
Byggetid (store tverrsnitt)
● Weser tunnel: 4,9 m i snitt per døgn (inkl rigging og
demontering). Enkelte døgn 15-20 m
● Malmø city tunneln
– TBM1: 18,5 m per døgn (eksl. Rigging og demontering)
– TBM 2: 17,7 m per døgn (eksl. Rigging og demontering)
● Wisla river crossing 1,34 m/h netto inndrift linje 1
– 35 minutter for å bygge en ring
● Wisla river crossing linje 2, redusert tidsforbruk for
ringbygging og høyere netto inndrift jf. linje 1.
● Alaskan way ca 2 m produksjon per dag i 6 mnd
– Lengre nedetid etter ca 340 m.
2015-03-12
Anleggsteknikk
Byggetid (små tverrsnitt)
● Logistikkutfordringer
● Vanskeligere
med parallelle
aktiviteter
● «Rekord» 51
ringer a 1,15 m
på 20 timer i
2,5 m EPB TBM
● Variasjon fra 27
m per dag til
4,5 m per dag
2015-03-12
Anleggsteknikk
Forundersøkelser og oppfølging under driving
● Forundersøkelser
– Grunnvann
– Forurensninger i massen
– Deformasjonsmodul / E-modul
– Svellepotensiale
– Adhesjonspotensiale (stickiness/clogging)
– In-situ densitet av materialet
– Siktekurver (viktig: stor-stein, pilarer og «gamle byggverk»
– Permabilitet
– Kompaktering
– Plastisitetsgrenser
– Skjærparametere (friksjon/kohesjonsvinkel)
– Jordtrykk
– Flytepotensiale
2015-03-12
Anleggsteknikk
Forundersøkelser og oppfølging under driving
● Oppfølging under driving
– Lite ordinær geologisk kartlegging
• Siktekurver som sammenlignes mot anbudsgrunnlag
• Mineralogi som sammenlignes mot anbudsgrunnlag
– Lite/ingen sonderboring
– Oppfølging av setninger/deformasjoner på bygg
(strekklapper, laser, nivelering)
– Poretrykksmålinger
– Oppfølging på slurry/skum tilsetningsstoff
– Oppfølging av kvalitet på betonglining
2015-03-12
Anleggsteknikk
Eksempel på store setninger og lekkasjer
2015-03-12
Anleggsteknikk
Mulige grunnforhold
Babenderde (2010)
● Worst case grunnforhold:
– Ensgradert sand eller grus (permeabel masse) med høyt
vanntrykk
– Stor stein med permeabel matrix (eks velgraderte
morenemasser med stein)
– Mixed face med variasjoner i materialegenskaper
2015-03-12
Anleggsteknikk
Verktøyslitasje
● Mye forskning (Pennstate University, NTNU, TU München,
Iranske universiteter, Østeriske jernbaneverk,
maskinleverandører
● Få kvantiative modeller for estimering
● Sprikende erfaringer – antageligvis pga varierende
empiriske data
● Mange variabler
– TBM og kutterverktøy
– Kompaktering / densitet
– Soil conditioning additives og bentonitt
– Operatør
– Grunnforhold (kornstørrelse, gradering, mineralogi,
kornform etc.)
2015-03-12
Anleggsteknikk
Verktøyslitasje NTNU
2015-03-12
Kostnader
Infrastrukturtunneler i løsmasser og svakt berg
2015-03-12
Kostnader
«Tysk tommelfingerregel» små tverrsnitt
● Små tverrsnitt (<3 m) 1€ * diameter i mm per meter tunnel
– Kostnader for TBM
– Slitasje
– Betongelement
– Massetransport ut av tunnel
– Bentonittslurry
– Tunnellengde og grunnforhold justerer
tommelfingerregelen
2015-03-12
Bruk av løsmasse TBM i Norge?
For og i mot
● Kan gi kortere og grunnere tunneler
● Reduksjon av forstyrrelses på trafikk, bygg og infrastruktur
kontra graving
● Enklere vedlikehold av infrastruktur (rør, kabler) i tunnel
kontra nedgravd
● Norge består stort sett av berg
● Ny teknologi
– Hvordan skal jobben
beskrives av byggherre/
konsulent?
● Kostnader
● Risiko
2015-03-12
Bruk av løsmasse TBM i Norge?
Aktuelle prosjekter
● Kabel, vann og rørtunneler i bynære strøk
– Ny vannledning fra Lade til Ranheim (Trondheim)
– Midgardsormen, Oslo
● Ny vestgående jernbane fra Oslo S
– Dyp tunnel i berg
– Grunn tunnel i løsmasser og mixed face
– Grunn tunnel med cut and cover
● Husk: I noen tilfeller kan den høyemeter prisen for en
løsmassetunnel forsvares med kortere tunnel og mindre
forstyrrelser på eksisterende infrastruktur, byggverk etc.
2015-03-12
Oppsummering
●
●
●
TBM-er i løsmasser er teknologi som har eksistert siden slutten av 60 tallet.
TBM-er i løsmasser brukes til kabler, vann/kloakk, metro, veg etc.
TBM-er for løsmasser p.t. er hovedsakelig
– Slurry shield TBM (også omtalt som mixshield og bentonair TBM-er)
– Earth Pressure Balance shield TBM (EPB TBM)
●
Byggetid er i stor grad avhengig av logistikk og evne til å drive uten setninger og
lekkasjer
– 2 m per dag til 50 m per dag
Grundige forundersøkelser er viktig for valg av TBM og estimering av
byggetid/kostnader
«Alle løse grunnforhold» kan drives. Begrensning på vann/jord trykk
●
●
●
2015-03-12
Bygging av tunneler i løsmasser koster 20 000 kr ∼ 1 000 000 kr per meter, og er
avhengig av
– Tunnelstørrelse
– Grunnforhold
– Dyktighet/kompetanse
– Marked
– Atkomst
– +++
Referanser
Babendererde, T. (2010). “Difference in wear types and
recognition in data monitoring.” BASF TBM Conference, London
Oct. 2010.
DWA-A-A 125E. Pipe Jacking and related techniques. German
Standard
Burger, W. (2010). "TBM Development And Application Over The
Last 20 Years." NFF TBM seminar Bergen.
Home, L. (2010). "Trends in the us of TBMs worldwide." Presented
at NFF TBM seminar Bergen 2010.
Maidl, B., Herrenknecht, M. and Anheuser, L. (1996). Mechanised
Shield Tunnelling, Wiley.
Robbins, D. (2013). "A Tradition of Innovation - The Next Push for
Machine Tunnelling." Muir Wood Lecture ITA-Aites
2015-03-12
Takk for oppmerksomheten
2015-03-12